Надежда получить конкурентоспособные показатели обустройства и эксплуатации глубоководных арктических месторождений базируется на идее размещения инженерных объектов в слое воды между дном моря и нижней кромкой ледового покрова, исключив тем самым воздействие на сооружения волновых и ледовых нагрузок и, как следствие, резко при этом уменьшив материалоемкость и капиталоемкость конструкций по сравнению с ледостойкими стационарными платформами [1]. Естественна при этом ориентация на технологические и производственные возможности существующих российских заводов по строительству подводных лодок и судов без ломки сложившихся производственных связей и без серьёзных капиталовложений в их реконструкцию и модернизацию.
Именно эти основополагающие принципы взяты в качестве базовых при разработке типов и архитектурного облика подводных объектов и инфраструктуры их поддержки и внешнего обеспечения [2].
Центральным элементом базовой схемы разработки месторождения, естественно, является подводная буровая платформа. Оставив детальное описание и анализ конструкции подводной буровой платформы, предлагается сосредоточить внимание на общем технологическом фоне, облике и ролях остальных «действующих лиц».
Как и в любой классической технологии буровых работ и строительства скважин, подводная буровая платформа нуждается во внешней поддержке: энергообеспечении, поставке расходных материалов для приготовления бурового раствора различной рецептуры, обсадных и буровых труб, инструмента, ЗИПа, смене людей, работа которых организуется по вахтовому методу, сборе шлама и многом другом. Должны бесперебойно функционировать линии связи Центра управления промыслом со всеми участниками подводного «действа» и с администрацией компании. Должна быть развернута система быстрого реагирования на нештатные и аварийные ситуации.
Логика поиска оптимального варианта решения многочисленных технических проблем и проблем безопасности привела к необходимости размещения на промысле объекта, который являлся бы шлюзом между атмосферой и гидросферой. В каждом секторе функционировали бы традиционные участники: в подводном – подводные суда, аппараты, роботы; в надводном – вертолеты, ледоколы [6], спутниковые системы и др.
Шлюзом является судно ледокольного обеспечения. Энергообеспечение и управление промыслом осуществляются с берегового центра. Смена экипажей подводных буровых платформ осуществляется с постоянно дежурящего в районе месторождения ледокольного судна поддержки (ЛСП) с вертолетной площадкой для приема вертолетов с базы в поселке Харасавэй и с транспортно-спасательными подводными аппаратами (ТСПА), спускоподъемные операции с которыми осуществляются из ангара через специальную шахту-шлюз в диаметральной плоскости ледокольного судна поддержки.
Связь подводных буровых платформ с Центром управления промыслом осуществляется как по донному подводному кабелю, так и по гидроакустическому каналу через ЛСП.
ТСПА, базирующиеся на ЛСП, не нуждаются в большой автономности и дальности плавания, а поэтому архитектурно-проектный облик таких аппаратов вполне может быть традиционным для обитаемых спасательных подводных аппаратов, созданных ЦКБ «Лазурит» и заводом «Красное Сормово», эксплуатирующихся Военно-морским флотом.
Наличие в районе промысла постоянно дежурящего ледокольного судна поддержки является одним из основных элементов построения общей системы безопасности – как средство быстрого реагирования на нештатные ситуации.
Для последующих исследований и технико-экономического анализа остановимся на базовой схеме с постоянным ледокольным обеспечением, как обладающей наименьшим составом проблемных вопросов, особенно на ранних стадиях освоения подводного газодобывающего региона. При этом подводная инфраструктура рассматривается в составе общей схемы организации всесезонных транспортных связей региона [4, 5].
Подводно-подледная буровая платформа формируется на морском дне из двух основных компонентов: подводного бурового судна (ПБС) и донной опорной плиты (ДОП).
На ДОП установлены 8 устьевых соединителей для бурения и строительства куста из 8 наклонно-направленных скважин. ПБС, используя специальный механизм, осуществляет перемещение по ДОП и фиксированное закрепление на каждой позиции, совместив ось буровой установки с осью очередного устьевого соединителя. Комплект превенторов ПБС, водоотделяющая колонна, противовыбросовое оборудование образуют систему запоров и шлюзов, обеспечивающую предотвращение попадания забортной воды в буровой отсек ПБС, смену бурового инструмента, работу в внутрискважинном пространстве по монтажу обсадных труб, цементированию затрубного пространства и др. технологических операций, в том числе в осложненных условиях (обрыв инструмента, разрушение долота и др.).
Буровой раствор в циркуляционной системе ПБС проходит традиционный для бурения роторным способом технологический цикл с отделением выбуренного шлама и складированием его в отсеках ДОП.
Гидроприводная буровая установка с манипуляторным устройством подачи буровых и обсадных труб на ось скважины размещена в отдельном прочном корпусе ПБС и в штатных условиях бурения управляется дистанционно с центрального пульта бурильщика в центральном посту управления ПБС, расположенном в отдельном соседнем прочном корпусе.
Закончив бурение, строительство и испытания скважин в течение расчетного периода (околоодного года), ПБС перемещается на другую ДОП в надводном (в безледовый период) или в подводном (в любое время года) положении с помощью надводных буксирных судов или подводного судна обеспечения.
Погрузочно-разгрузочные операции с доставляемыми контейнерами с расходными материалами и трубами осуществляются средствами ПБС: - подводными рабочими, -телеуправляемыми роботами.
Продукция скважин, минуя ПБС, в многофазном потоке подается через внутрипромысловые манифольды по трубопроводам на береговую сепарационно-компрессорную станцию и далее в сеть магистральных трубопроводов полуострова Ямал или на заводы по сжижению газа или переработки в синтетические жидкие углеводороды для вывоза танкерами по Северному Морскому Пути.
ДОП с фонтанной арматурой остается на точке на все время ведения добычи газа как темплет. Ремонт скважин и фонтанной арматуры осуществляется с помощью подводного ремонтного судна (ПРС). ПРС по архитектуре и принципам использования аналогичен ПБС. Перемещение ПРС между ДОП осуществляется с помощью того же подводного судна обеспечения.
Обслуживание и ремонтные работы на ДОП, донной инфраструктуре трубопроводов, манифольдов, кабелей осуществляется с блока подводно-технических работ – сменного модуля подводного судна обеспечения [4, 5].
Приоритетным основополагающим принципом при определении архитектурных, компоновочных и проектно-конструкторских решений, безусловно, является подход, обеспечивающий наибольшую безопасность. Собственно, от того, насколько успешно будут найдены и доказаны такие решения, зависит судьба подводно-подледных технологий.
Определяющее влияние на облик всего сооружения оказывает, конечно, буровая установка.
Приняв такой постулат в качестве исходного, проектировщик-конструктор подводного бурового судна способен определить в первом приближении «жизненное пространство» для технологических помещений судна.
Таким образом, поставив во главу угла вопросы общепроектного характера по обеспечению безопасности, мы получаем возможность реализации агрегатно-модульного метода строительства судна в высшей фазе своего проявления со всеми вытекающими из этого благоприятными технологическими и экономическими показателями.
Рис.1. Подводно-подледный буровой комплекс
Логично разделить все жизненное пространство подводного бурового судна на 5 основных функциональных блоков, каждый в отдельном прочном корпусе: буровой установки; циркуляционной системы; цементировочной системы; командно-жилой и энергетический.
Все блоки соединены между собой переходными тамбур-шлюзами.
Аварийно-спасательное обеспечение оказывает заметное влияние на архитектуру судна. Это, прежде всего, размещение спасательных подводных аппаратов (СПА), базирующихся на борту ПБС в постоянной готовности к эвакуации находящихся на нем людей. Целесообразно иметь не менее двух СПА и закрепить их на комингс-площадках аварийно-спасательных люков на переходных тамбур-шлюзах, связывающих командно- жилой блок с соседними технологическими.
Размещенные в командно-жилом блоке центральный пост комплексной системы управления техническими средствами (КСУ ТС) ПБС и пост управления буровыми работами (УБР) имеют 100 % дублирование, разнесенное по разным функциональным блокам: пост КСУ ТС – в энергетическом, а пост УБР – в блоке буровой установки. Это обеспечивает гарантированное сохранение управления жизненно важными функциями ПБС в любой, даже самой сложной, аварийной ситуации.
ПБС должно иметь возможность всплытия без повреждений в любое время с проламыванием льда толщиной до 2,5 метров из приледненного положения. Для этого у него должна быть достаточно прочная рубка, способная выдерживать усилия от льда как при проламывании, так и в положении дрейфа во льдах, когда действующая ватерлиния ограничена обводами выведенной в пролом рубки, а надстройка прижата положительной плавучестью судна к нижней поверхности льда. Высота рубки над палубой надстройки должна обеспечивать высоту над ледовым покровом, достаточную для нормального запуска и работы дизель-генераторов, функционирования антенных устройств связи и радиолокации, выхода людей на лед при необходимости.
Такое положение дрейфующего во льдах судна в ожидании внешней помощи можно считать наиболее безопасным.
Для грузовых подводных операций с контейнерами в кормовой части ПБС должна быть достаточно просторная палуба с ложементами для покладки контейнеров и перегрузочными люками с комингс-площадками.
Поскольку грузовые операции обеспечиваются подводными телеуправляемыми роботами (по-английски «ROV»), то в непосредственной близости к грузовой палубе должны находиться прочные герметичные ангары для базирования и обслуживания ROV и их рабочих пакетов.
Специализирующиеся на грузовых операциях два ROV имеют 100 % дублирование двумя другими универсальными рабочими ROV, расположенными в носовой части ПБС.
ПБС должно осуществлять точную безударную посадку на ДОП с использованием тросов и подтягивающих лебедок. Управление посадкой ПБС на ДОП представляет одну из наиболее серьёзных проблем проектирования.
Основное назначение ДОП – служить опорой для ПБС при выполнении буровых работ и темплетом для фонтанной арматуры. На ДОП устанавливаются 8 устьевых соединителей, на каждом из которых подвешена колонна обсадных труб при строительстве скважин. По технологии ведения буровых работ ПБС многократного перемещается по ДОП, используя свой механизм перемещения и опорно-направляющие дорожки ДОП.
В период эксплуатации ремонт скважин будет осуществлять подводное ремонтное судно (ПРС), которое аналогично ПБС будет осуществлять посадку и закрепление на ДОП, заменять внутрискважинное оборудование, насосно-компрессорные трубы, осуществлять промывку, перфорацию стенок скважины и др.
ДОП будет эксплуатироваться в течение всего периода добычи газа на месторождении, то есть в течение расчётного периода – 30 лет.
По технологии монтажа ДОП должна иметь балластные цистерны, позволяющие буксировать ее в надводном положении и при заполнении водным балластом плавно опускать на морское дно. Второе назначение балластных цистерн – емкости для приёма выбуренного шлама. Таким образом, технически и экономически эффективно решается проблема экологической безопасности в части защиты окружающей среды от сбросов выбуренного шлама [3].
Проектно-конструкторское решение ДОП принято в виде платформы катамаранного типа, в плане в форме прямоугольника, продольными сторонами которого являются корпуса балластных цистерн, а соединяющее их донное перекрытие является несущей частью корпуса с фундаментными конструкциями для крепления устьевых соединителей.
По верху балластных цистерн расположены опорно-направляющие дорожки для перемещения ПБС с фиксирующими стопорами.
В прочных корпусах размещается периодически обслуживаемое оборудование для обеспечения гидравлической энергией приводов управления фонтанной арматурой.
На прочных корпусах имеются люки с комингс-площадками для посадки транспортно-спасательных подводных аппаратов, доставляющих ремонтные бригады.
Управление фонтанной арматурой осуществляется из Центра управления газодобывающим промыслом по внутрипромысловым кабельным сетям.
Описанный подводно-подледный технологический комплекс добычи углеводородного сырья открывает безопасный доступ к скрытым под толщей льда богатейшим природным кладовым глубоководного арктического шельфа.
Рецензенты:
Химич В.Л., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Энергетические установки и тепловые двигатели», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;
Миронов А.А., д.т.н., доцент, зав. кафедрой «Аэро-гидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород.
Гоц А.Н., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» ФГБОУ ВПО Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Владимир